半导体光子学第7章.ppt
第七章第七章分布反馈、量子阱和垂直腔面发射激光器Chapter 7DFB、QW&VCSEL LasersDFB LD：Distributed Feedback Laser DiodeDBR LD：Distributed Bragg Reflector Laser DiodeQW LD:Quantum Well Laser DiodeVCSEL:Vertical Cavity Surface Emitting Laser 17.1 DFB（DBR）激光器 7.1.1 器件结构 7.1.2 耦合波理论 7.1.3 DFB LD的特性7.2 量子阱激光器（QW LD）7.2.1 超晶格与量子阱 7.2.2 量子化能级和子带 7.2.3 阶梯状态密度分布 7.2.4 量子阱激光器工作原理 7.2.5 SQW和MSQ 7.2.6 量子阱激光器的特性7.3 VCSEL（面发射激光器）7.3.1 阀值电流 7.3.2 量子效率 7.3.3 纵模行为27.1 DFB（DBR）激光器7.1.1 器件结构分布反馈激光器DFB：Distributed Feedback光栅为内光栅，光栅在有源层内的波导层上。分布布喇格反射激光器DBR：Distributed Bragg Reflector光栅在有源层两端外的波导层上形成。3Semiconductor Laser4DFB-LD和DBR-LD 结构图（a）DFB激光器（b）/4相移的DFB激光器50BAL Lq qeq qrBragg Reflection at a Periodic Gratingl ll l6Distributed-Bragg-Reflector Laser(DBR-Laser)Distributed-Feedback Laser (DFB-Laser)Fabry-Perot Laser (FP-Laser)7810 Gb/s EA Modulator Integrated DFB LDs for Trunk Line CommunicationsTransmission length:100 kmFeature:Low power penalty(10mWl d=30-40%/面l T0=67K 2526光谱特性在所有温度范围内，全为单纵模工作，0是由光栅周期=m0/2所决定的。由n随T的变化所引起的0随T的变化：d0/dT=0.09nmC计入载流子浓度引起的n的变化，0的总变化为：d0/dT=0.1nm/C (7-25)F-P腔激光器：d0/dT=0.5nm/C (7-26)主边模抑制比 MSR=10log(P0/P1)(7-27)27DFB Laser Microarray2829Multi-range Wavelength Selectable LDsFor use in back-up&add-drop in DWDM photonic networkDFB-LDs integrated with MMI coupler,SOA,and EA modulatorCompact size(400 m 2840 m)30Lasing Spectra for 40-Channel Different-Wavelength DFB/EAMs311.531.61m范围内的多波长光源特性EAMDFB LD个数：40个，:15271593 nm。主边模抑制比35dB平均通道间隔：214 GHz平均Ith=9.9mAPCW 4mW(100mA)消光比大而均匀，在-2V下消光比为20dB的2dB范围之内。传输实验:600km、2.5 Gbit/s、1.55m带和1.58m带，获得了很好的结果。10Gbit/s的传输实验，接收灵敏度为-32dBm(误码率为10-10)。327.2 量子阱激光器（QW LD）7.2.1 超晶格与量子阱超晶格概念是1970年由美国IBM公司的日本人江崎(Dr.Esaki)和华人朱兆强首先提出来的。超晶格：两种或两种以上不同组分或不同导电类型的超薄层材料，交替堆叠形成多个周期的结构，如果每层的厚度足够薄，以致其厚度小于电子在该材料中的德布洛依的波长，这种周期变化的超薄多层结构，叫做超晶格。组分超晶格和掺杂超晶格33量子阱超晶格中，周期交替变化的薄层层厚很薄，相邻的势阱中电子的波函数能够互相交替，使势阱中电子能态虽然是分立，但已被展宽。如果限制势阱的势垒的厚度足够厚，大于德布洛依的波长，那么不同势阱中的波函数不再交叠，势阱中的电子的能级状态变为分立的状态。这种结构称之为量子阱。单量子阱（SQW，Single Quantum Well）。多量子阱（MQW，Multi-quantum Well）。34一维晶格势场：E=这个能量范围内没有允许的能量状态，称作能隙时，采用微扰计算，得出在 k 接近 时:（即只考虑周期势场的平均场时）周期场变化越剧烈,能隙宽度越宽晶格周期势场中的能级分布零次近似解：E为k的函数，具有抛物线的形式周期场的平均场对平均场的偏离量35导体、半导体、绝缘体能带论:满带电子不导电,部分填充带可导电导 体绝缘体半导体禁带宽度 EgEc1-Ehh1 进一步推广至各子能带情况：Fc-FvEci-Ehhi设激光器的腔长为L，端面反射率为R1、R2，内部吸收损耗为，光限制因子为，因激光器应满足的阀值条件为：(7-51)(7-50)(7-52)58量子阱激光器的辐射复合的特点态密度呈阶梯分布，光子能量h=Ec1-Ehh1Eg，g，兰移。辐射复合主要发生在Ec1和Ehh1两个能级之间，发射光谱的谱线窄。声子协助载流子跃迁。59 SQW：MQW：式中：Na个势阱和Nb个势垒，n 为有源区势垒层和势阱层的平均折射率。表示的是折射率为n的等效层（厚度为Nata+Nbtb）的光限制因子。m正比于势阱的总厚度同势阱和势垒的总厚度和之比值。MQW的m可达0.2，比s要大得多。7.2.5 SQW和MQW(7-54)(7-54)(7-53)(7-53)(7-55)(7-55)(7-56)(7-56)6061SQW和MQWs LD的模式增益同注入电流密度的关系62630-670nm波段Alx(GayIn1-y)1-xP激光二极管637.2.6 量子阱激光器的特性阀值特性:比DH LD低5-10倍,能小于1mA。P-I特性外量子效率,可达80%以上.特征温度T0可达160K以上.64657.3 VCSEL面发射激光器垂直腔面发射激光器，顾名思义，它的腔面平行于pn结平面，激光的发射方向垂直于pn结平面。简称为VCSEL，它是英文Vertical Cavity Surface Emitting Laser 的缩写。VCSEL表现出低工作电流、单模激光输出、光束发散角度小、寿命长等一系列优点，成为非常实用的一种半导体激光器。66面发射激光器的结构67面发射激光器的结构68面发射激光器的结构69多层介质膜的反射率在垂直腔面发射激光器中，振腔谐既不是解理面构成的Fabry-Perot腔，也不是DFB(或DBR)激光器中波导层中厚度周期变化的Bragg 光栅，而是多层介质膜构成的Bragg 光栅。如果两种介质膜的折射率和厚度分别为n1和n2、d1和d2，并且满足如下条件：则多层介质膜在界面处对所选波长的光波进行反射。70多层介质膜的反射率有两种介质，如果其折射率分别为n1和n2，并且n1n2，将其交替沉积在折射率为ns的衬底上，每一种介质层的厚度为/4，即分别为d1=0/4n1和d2=0/4n2。如果这两种介质的层总数为偶数2m时，则其垂直方向上的反射率为：可以看出:n2/n1的比值越大则越有利于获得高的R。同样，介质层数目越多，即2m越大时R也会越大。71VCSEL的特性 如激光器的腔长为L，折射率为n，发射光谱的模式间隔为：VCSEL激光器的腔长L很短，模式间隔很大，容易实现单纵模工作，发射光谱很窄，可以获得很纯的单纵模。发光面既大又对称，园形发光面直径为几微米到几十微米，发散角度很小，仅仅几度。VCSEL激光器中发光面积很大，激光功率密度小。不会因功率密度大于临界值而发生灾变性退化现象，因而器件寿命长。72VCSEL的特性 VCSEL激光器的工作电流小：由于腔长短，整个有源区的体积比端面发射激光器小许多，即使注入很小电流也能获得足够高的增益，发射激光。VCSEL激光器的阈值电流仅仅为毫安量级，甚至小于1mA，仅仅几十到几百微安的电流就能获得激光输出。VCSEL激光器无须解力就已经形成了谐振腔，可以对外延片上所有的器件进行检测，大大提高了工作效率、降低了成本。可以在同一衬底上集成多个VCSEL激光器，制成多功能的VCSEL激光器阵列。73习 题1.名词解释：超晶格、I型超晶格和II型超晶格、组分超晶格、掺杂超晶格、量子阱、量子线、量子点；2.DFB激光器与F-P腔激光器在原理、结构和性能上有何差别？3.DFB激光器中/4相移区有何作用？为什么能起到这种作用？4.试述量子阱激光器的工作原理。为什么量子阱激光器的发射波长小于1.24/Eg？5.试定性说明DH LOC SCH GAIN-SCH-SQW激光器的演变理由；6.试定性说明F-P DFB（DBR）VCSEL的演变理由。74
